通过冷喷涂技术制备定制化界面的SiCp/Al复合涂层：协同提升沉积效率与耐磨性

《Surfaces and Interfaces》：Interface-tailored SiCp/Al composite coatings via cold spray: synergistic enhanced deposition efficiency and wear resistance

　　梁涛鼎|龚春志|杭春进|刘佳莹|林超群|郝子硕|刘远|刘启明|周长壮|田秀波中国哈尔滨工业大学材料与结构精密焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨150001摘要β-碳化硅颗粒因其独特的立方晶体结构及极高的硬度，在精密摩擦学应用中展现出巨大潜力。本研究通过电镀涂层技术制备了核壳型SiCp-Ni复合粉末，该技术提升了陶瓷颗粒的沉积阈值，有效解决了冷喷涂过程中Al/SiC两相沉积的动力学不匹配问题、机械锁效应以及界面断裂倾向，进而增强了涂层的结合力。掺杂后的SiCp-Ni/Al复合涂层的沉积效率提高了31.1%。核壳结构有效降低了SiCp的破碎率，使其保留率提升了19.1%，同时改善了SiCp的均匀分散状态，最终得到了孔隙率低于1%的致密涂层。与传统体系相比，掺杂后的SiCp-Ni/Al复合涂层的摩擦系数降低了29.7%，磨损率则下降了57.7%。其性能提升机制可归因于三方面的协同作用：中间Ni层的缓冲作用能够消耗冲击能量，界面粘结作用可防止磨料颗粒脱落，而致密结构则能延缓氧化层的失效过程。引言碳化硅颗粒（β-SiCp）凭借出色的硬度、电子迁移率、抗氧化性及耐磨性，远优于其他材料。从结构上看，β-SiC以金刚石立方结构结晶，在高性能陶瓷材料中，其硬度仅次于金刚石[1]。这种优异的机械强度使得β-SiC在需要极端工况下保持结构稳定性的特殊应用中具有巨大潜力[2]。在涂层应用方面，立方晶系特有的致密原子堆叠结构使其具备极强的抗塑性变形能力，因此在滑动磨损部件中的应用不可或缺[3]。在功能材料领域，β-SiC相相较于α-SiC相具有更突出的电学性能，其载流子迁移率可提高2-3个数量级（高达2000 cm2/V·s），相比传统材料具有更好的应用前景[4]。高含量陶瓷颗粒增强的金属基复合材料由于兼具低密度和优异的耐磨性等特性，受到了广泛研究，成为高性能结构及摩擦学应用领域的有力候选材料。大量研究表明，引入SiCp可显著提升铝基材料的耐磨性。例如，Shaikha等人[5]研究了制备SiCp/Al复合材料的烧结工艺，与纯铝相比，添加5 wt.%的SiC可使硬度提高30%，耐磨性提升40%，COF降低6%。Torres等人[6]通过热喷涂工艺在低载荷条件下制备的SiCp/Al复合材料，其耐磨性可达54%。Jiang等人[7]通过高能机械合金化方法研究了SiCp/Al复合涂层的制备，该涂层在附着力和耐磨性方面表现优异。Gultekin等人[8]研究了不同载荷条件下由SiCp/Al材料制成的刹车盘的摩擦磨损行为，由于含有坚硬的SiCp，这类材料具有较低的磨损率，同时还具备磨料性和承载性。其中，高含量碳化硅颗粒增强的铝基复合材料具有出色的耐磨性和抗压强度，特别适合用于要求苛刻的摩擦学及结构应用领域。值得注意的是，含50体积% SiCp增强剂的复合材料，其耐磨性相比含20体积%增强剂的复合材料提升了10倍，强度则提升了3倍[9]。对于需要提升耐磨性的镁合金部件，人们已经开发并应用了多种表面处理技术，包括热喷涂[10,11]、阳极氧化[12,13]、等离子体电解氧化[14,15]、物理气相沉积[16,17]以及激光表面改性[18,19]，这些技术针对不同的应用场景各有优势。然而，传统的金属基复合材料表面处理技术存在一些固有难题，如基体与颗粒的异质性、孔隙形成、材料氧化以及较高的加工成本。在Al-SiC体系中，高温加工会促使脆性的Al4C3针状晶体的形成，这类晶体结构会成为应力集中点和裂纹起始处，从而损害材料的机械完整性和耐磨性[20,21]。随着镁合金材料使用环境的变化，人们对表面铝基复合涂层的耐磨性提出了更高要求，传统陶瓷颗粒增强型复合涂层的性能已难以满足需求，因此有必要开发性能更优异的铝基复合涂层。冷喷涂沉积工艺主要依靠颗粒的动能而非热能来形成涂层，与传统的热喷涂方法不同，原料材料在整个沉积过程中都保持固态[22]。这一独特特性使得冷喷涂在提升材料性能的同时避免了热降解问题。与传统复合制造技术相比，冷喷涂在处理SiCp/Al复合涂层方面具有明显优势，为各种工业应用带来了巨大潜力。实验研究表明，冷喷涂涂层的沉积效率与SiCp含量之间存在非线性关系。具体而言，当原料粉末中的SiCp含量从30体积%升高到60体积%时，会出现三种显著现象：涂层厚度大幅减小，SiCp的保留效率明显下降，但复合材料的硬度却显著提升[23,24]。这些发现表明存在一个最佳的SiCp浓度范围，能够在沉积效率与涂层性能之间实现平衡。近年来，通过在陶瓷颗粒表面镀覆韧性金属层（可通过物理气相沉积、还原、电镀及无电电镀等方法制备）作为过渡层，以优化涂层形成过程中两相复合粉末之间的差异，已成为实现高质量表面涂层制备的有效手段[25,26]。例如，Zhang等人[27]通过无电电镀在AlN颗粒表面镀覆了铜层，这使得AlN陶瓷相的沉积效率相比球磨法提高了两倍。He等人[28]通过对冷喷涂制备过程的单颗粒撞击试验模拟发现，采用W核铜壳的结构可实现成功的撞击粘结。Deng等人[29]则通过低压冷喷涂方法，利用W-Cu核壳粉末研究了高含量W-Cu复合涂层的制备。核壳结构为材料科学和工程领域的众多研究方向带来了新的机遇。我们研究团队此前已通过冷喷涂方法制备了低含量（20体积%）的碳化钨颗粒核壳结构增强型铝基复合涂层[30]。实验结果表明，镍涂层工艺可以有效提升涂层的硬度和耐磨性。但对于高含量陶瓷颗粒增强的铝基复合涂层而言，镍壳会增加复合粉末的表面粗糙度，提高黏度，降低粉末颗粒的飞行速度，进而降低沉积效率，直接影响涂层的致密化进程。因此，在前期研究基础之上，我们提出将核壳型SiCp-Ni颗粒引入传统的冷喷涂SiCp/Al复合涂层中，该策略旨在提升涂层中SiCp的保留率，减少因SiCp破碎、反弹和分层带来的缺陷。该复合涂层采用30体积%的SiCp、10体积%的SiCp-Ni以及60体积%的铝粉共同混合沉积的方式制备，这种成分不仅有利于对SiCp进行有效的锤击压实，还能通过SiCp-Ni掺杂提升陶瓷相的沉积阈值。此外，通过对Ni/SiC/Al三界面的表征，发现镍界面在增强颗粒与基体的粘附力方面起着关键作用，而镍层则具备一定的塑性变形能力，能够适应SiC与铝之间应力的不匹配现象。这些研究结果为设计能够克服冷喷涂复合材料中陶瓷/金属界面不相容性的核壳结构粉末提供了重要依据，也为未来通过冷喷涂方法制备高含量核壳层粉末-陶瓷颗粒增强型铝基复合涂层的研究提供了有益参考。章节节选粉末与涂层的制备本研究以平均粒径为50μm的商业 irregular β-SiC粉末以及粒径为15-50μm的球形铝粉作为原材料。首先，通过电镀技术在SiCp表面制备金属镍层，其工艺流程图及优化参数如图1所示。图1a为电镀装置的示意图，图1b展示了在不同电镀参数下镍在表面的附着情况，图1c则为核壳型SiCp-Ni的微观结构变化情况。图2显示了经电镀镍改性的SiCp的表面形态特征。根据图2a的扫描电镜图像及相应的能谱分析结果，大多数SiCp表面呈现出离散的镍元素分布特征，同时仍保持原有的不规则形状结构。进一步观察完全被镍层覆盖的SiC粉末的表面形态，如图2b所示，结合相应的能谱分析结果，可以得出结论。本文中，通过电镀技术制备了核壳型SiCp-Ni复合粉末，随后通过冷喷涂工艺在ZE41镁合金表面成功制备了高含量SiCp/Al复合涂层。对PSA涂层和NiSA涂层的截面微观结构进行了分析，重点研究了NiSA涂层内部的颗粒界面特征，同时还系统评估了这些涂层的摩擦学性能。作者贡献声明梁涛鼎：概念构思、数据整理、资金获取、实验研究、方法设计、项目监督、初稿撰写、论文修订。龚春志：资金获取、实验研究、方法设计、资源协调、项目监督。杭春进：方法设计、项目监督。刘佳莹：实验研究、方法设计。林超群：实验研究。郝子硕：实验研究。刘远：实验研究、方法设计。刘启明：实验研究、方法设计。周长壮：方法设计。作者贡献声明梁涛鼎：论文修订、初稿撰写、项目监督、方法设计、实验研究、资金获取、数据整理、概念构思。龚春志：项目监督、资源协调、方法设计、实验研究、资金获取。杭春进：项目监督、方法设计。刘佳莹：方法设计、实验研究。林超群：实验研究。郝子硕：实验研究。刘远：方法设计、实验研究。刘启明：方法设计、实验研究。周长壮：方法设计。利益冲突声明作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：田秀波表示其研究得到了国家自然科学基金的资助。其他作者则声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。